Miglioramento della stampa 3D e dei processi AM con ottimizzazione della topologia per FDM
Ricercatori canadesi e cinesi hanno creato una nuova tecnica per migliorare la stampa 3D, delineata nella recente pubblicazione ” Ottimizzazione della topologia per la stampa 3D di modelli a deposizione fusa multipla “. Gli autori sottolineano che, man mano che la fabbricazione digitale progredisce ulteriormente, stanno emergendo nuove regole di progettazione, nonché vincoli. Questi sono correlati a supporti e post-elaborazione, limiti di dimensioni, proprietà dei materiali direzionali, struttura cellulare, progettazione della topologia e altro ancora.
Le costrizioni causate dalle proprietà anisotrope dei materiali AM hanno motivato i ricercatori a creare un metodo di ottimizzazione della topologia ibrida per questo studio. Poiché le proprietà del materiale direzionale sono correlate al processo di stratificazione, è necessario considerare le variazioni. Con l’ottimizzazione della topologia, possono essere gestiti, oltre a migliorare le prestazioni di stampa attraverso l’ottimizzazione dei percorsi dei filamenti.
La nuova tecnica proposta in questo studio “si evolve dal design tradizionale dell’interfaccia materiale / vuoto a un problema più sofisticato che coinvolge più livelli di libertà di progettazione”. Questi livelli includono il dominio di progettazione, il dominio dei materiali e il dominio dei materiali secondari. L’ottimizzazione per questo studio ha lo scopo di gestire tutte le variabili di progettazione coinvolte.
“In particolare, il dominio del materiale è definito da una funzione di set di livelli e quindi ottimizzato attraverso l’ottimizzazione della topologia di set di livelli”, spiegano gli autori. “I domini dei materiali secondari non sono chiaramente distinti dall’inizio; invece, le direzioni di deposizione candidate sono interpolate secondo lo schema di ottimizzazione del materiale discreto (DMO) con variabili di densità. I domini dei materiali secondari emergeranno gradualmente con la penalizzazione delle variabili di densità “.
Due categorie sono coinvolte nell’ottimizzazione dell’anisotropia:
Ottimizzazione della topologia con angoli raster discreti: offre il massimo spazio di progettazione, ma non “utilizzata direttamente per la stampa 3D”.
Ottimizzazione della topologia con angoli raster continui: consente percorsi di deposizione equidistanti e continui, ma è estremamente limitata dal modello di percorso con offset del contorno.
In definitiva, gli autori si sforzano di bilanciare la producibilità con lo spazio di progettazione consentito.
Livelli di libertà progettuale.
Diversi casi di studio sono stati inclusi mentre il team di ricerca ha valutato le loro nuove tecniche, usando “mesh strutturate con elementi di dimensioni unitarie (1 per 1)” in ciascun esempio. È stato esaminato un problema a sbalzo mentre i ricercatori hanno tentato di controllare la conformità strutturale. In questo caso di studio, il volume massimo del materiale aveva un rapporto di 0,5, mentre il dominio del progetto misurava 100 mm x 100 mm.
È stato anche considerato un breve problema a sbalzo, con gli stessi schemi di ottimizzazione.
Infine, il team di ricerca ha esaminato la struttura di Michell, applicando una forza di 1 kN, utilizzando gli stessi due schemi degli esempi precedenti, ma anche impiegando un nuovo schema di ottimizzazione della topologia con tre “direzioni raster progettabili”.
“In futuro, le parti progettate in modo ottimale dovrebbero essere stampate in modo che le loro prestazioni strutturali possano essere validate attraverso test sperimentali. Inoltre, verrà esplorata la potenziale estensione della produzione di additivi multi-materiale e multipatch “, hanno concluso i ricercatori.
“In questo studio, un percorso di deposizione a zigzag unidirezionale è definito all’interno di ogni patch per semplicità. In effetti, il modello del percorso di deposizione di ogni patch può essere esteso a modelli più complessi diversi dallo zigzag per ottenere prestazioni di progettazione ancora migliori. Pertanto, questo aspetto verrà esplorato anche nel nostro lavoro futuro. “
Risultato dell’ottimizzazione della struttura MBB con una mesh più fine (conformità = 86,95 J). (Il colore blu mostra la convergenza ρe1 = 1, il colore rosso mostra la convergenza ρe2 = 1 e il colore verde mostra le aree errate o vuote). 
Risultati dell’ottimizzazione della struttura MBB (il colore blu mostra la convergenza ρe1 = 1, il colore rosso mostra la convergenza ρe2 = 1, il colore giallo mostra la convergenza ρe3 = 1 e il colore verde indica le aree errate o vuote). 
